超聲波檢測在王集引黃閘安全鑒定中的應用研究

李曉磊，耿 波

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 概述

水閘竣工投入使用以后，由于工程運營主管部門對涵閘工程內部等隱蔽部位現狀及存在的問題無法掌握，從而使得工程在運行中所產生的問題不能及時修復，造成工程帶病運行，影響了工程的使用[1]。因此，為確保水閘工程能夠發揮正常的防汛排澇功能，使主管部門對涵閘工程問題的應對措施做出正確決策，對運行多年的水閘進行安全鑒定勢在必行[2]。在安全鑒定中，水閘混凝土缺陷狀態的評價是判定水閘安全狀態的一項重要工作，對結構復核計算影響巨大[3]。

2 水閘混凝土缺陷的通常檢測方法

在現行水閘安全鑒定中，混凝土強度一般由回彈值及碳化深度進行大致計算，但內部缺陷仍無法進行判斷[4]。如果使用小型取芯設備進行取樣，會對其結構造成永久損傷，本身混凝土結構在使用多年后處于安全的邊緣狀態，可能直接打破平衡造成人員或財產損失，因此無損的混凝土結構內部檢測是較有意義的一種模式[5]。超聲波CT作為一種較為常見的檢測手段，以其快捷、無損、準確的優點可以廣泛推廣[6]。

3 超聲波法的原理

超聲波法測缺是通過混凝土中超聲波聲學參數的變化對混凝土缺陷進行判定的方法，混凝土內部的缺陷會破壞聲通道的連續性及聲波的能量，從而導致聲學參數發生突變[7]。通過聲學參數對比分析，可以準確判定混凝土的內部質量好壞。超聲法使用的儀器為巖海超聲ST1010C型非金屬超聲波探測儀[8]。

首先計算各測區的混凝土聲速，將各測區的聲速進行統計分析。利用下式計算各測區混凝土聲速的平均值(mV)和標準差(SV)。

Vi=L/Ti

(1)

(2)

(3)

其中，L為測距，mm；Vi，Ti為第i點的聲速聲時值,km/s;n為參與統計的測點數。

通過對測點聲速值進行大小排序，即V1≥V2…≥Vn+1……，將后面明顯較小的數據視為可疑，并將可疑數據中最大值Vn連同其前面的數據按式(2),式(3)計算出mV和SV值，并按下式計算異常情況的判斷值(V0)：

V0=mV-λ1·SV。

其中，λ1為異常值判定系數，通過CECS 21：2000超聲法檢測混凝土缺陷技術規程查得，將V0與Vn相比較，當Vn≤V0時，則Vn及排列于其后的各數據均為異常值，則去掉Vn，再用V1～Vn-1進行計算和判別，直到不出現異常值為止[9]。

4 應用實例

4.1 王集引黃閘工程概況

王集引黃閘于1989年12月建成，設計防洪水位為52.50 m，屬于一級水工建筑物，主要混凝土結構構件是混凝土閘門板和閘墩，其中，涵閘趾處堤頂高程為55.00 m，底板高程為45.50 m。

4.2 超聲波檢測測線布置

為了方便檢測和描述，水閘混凝土結構編號示意如圖1所示。采用超聲波檢測法抽測了墩2、墩3、閘門1、閘門2和閘門3的混凝土內部密實性。將以上部位分別作為一個構件，每個構件布置4條平行測線，測線間距為100 mm，每一條測線的測點數為10個，測點間距50 mm，測線避開鋼筋和裂縫，采集數據時，激發檢波器與接收檢波器始終處于閘墩兩側水平相對位置，每次移動步距0.1 m。測試布置如圖2所示，閘門測試布置類同。

實施檢測時，用鋼絲刷、砂輪等處理測區表面，使其滿足測試要求。使用黃油作為耦合劑，提高聲波信號的質量。

4.3 檢測結果

各部件混凝土密實性超聲測試結果見表1。

表1 各部件混凝土密實性超聲測試結果匯總表

墩2混凝土結構總測點數n=40，平均聲速mV=3.84 km/s，均方差SV=0.035 km/s，聲速臨界值V0=3.76 km/s，表1中聲速最小值為3.78 km/s，大于聲速臨界值V0，故墩2混凝土結構密實度較好。墩3混凝土結構總測點數n=40，平均聲速mV=3.84 km/s，均方差SV=0.038 km/s，聲速臨界值V0=3.76 km/s，表1中聲速最小值為3.77 km/s，大于聲速臨界值V0，故墩3混凝土結構密實度較好。閘門1混凝土結構總測點數n=40，平均聲速mV=4.03 km/s，均方差SV=0.048 km/s，聲速臨界值V0=3.94 km/s，表1中聲速最小值為3.95 km/s，大于聲速臨界值V0，故閘門1混凝土結構密實度較好。閘門2混凝土結構總測點數n=40，平均聲速mV=4.01 km/s，均方差SV=0.044 km/s，聲速臨界值V0=3.93 km/s，表1中聲速最小值為3.94 km/s，大于聲速臨界值V0，故閘門2混凝土結構密實度較好。閘門3混凝土結構總測點數n=40，平均聲速mV=4.04 km/s，均方差SV=0.040 km/s，聲速臨界值V0=3.96 km/s，表1中聲速最小值為3.97 km/s，大于聲速臨界值V0，故閘門3混凝土結構密實度較好。

4.4 復核計算

鑒于混凝土結構內部密實，無明顯空洞的情況，混凝土結構構件復核內容主要包括：閘室底板、邊墩、中墩，根據各結構構件受力特點，利用Sap2000進行計算的模型如圖3所示。

計算工況如下：

1)閘室及胸墻結構簡化為混凝土殼計算。

2)4種計算工況，分別為建成無水、設計引水、設計防洪擋水、設計引水+地震4種工況。

中墩、邊墩、底板、胸墻、閘門內力均取各計算工況最大值，按正截面純彎構件配筋，裂縫寬度按正常使用極限狀態驗算，各工況內力包絡圖見圖4～圖7；內力和配筋結果詳見表2。

表2 配筋計算及裂縫寬度驗算表

由計算結果分析，原邊墩、中墩、底板、胸墻、閘門的配筋面積及裂縫寬度均滿足國家現行規范要求，其混凝土結構處于安全狀態。

5 結語

超聲波檢測法作為一種無損、快捷的檢測水閘混凝土內部缺陷的方法，避免了對水閘混凝土結構的人為損壞，計算結果科學且具備較強的代表性，能夠為水閘結構的復核計算快速提供依據，值得在水閘安全鑒定中大范圍推廣普及[10]。